포논 예측

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13198(2022) 이 기사 인용

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높은 처리량 계산 방법을 사용하여 Ti 기반 M\(_2\)AX 단계에서 39개의 새로운 초전도체를 예측한 다음 밀도 함수 이론 전자-포논 결합 계산을 사용하여 최상의 후보를 더 자세히 연구합니다. 상세한 계산은 간단한 예측과 일치하며 Ti\(_2\)AlX(X: B, C 및 N) 재료는 현재 알려진 육각형 M\(_2\)보다 \(T_c\)의 더 높은 값을 가질 것으로 예측됩니다. AX 단계. 페르미 준위의 전자 상태는 Ti 3d 상태에 의해 지배됩니다. X(X: B, C 및 N)의 선택은 전자 상태 밀도에 중요한 영향을 미치지만 포논 특성에는 영향을 미치지 않습니다. Ti\(_2\)AlX(X: B, C 및 N)에 대한 전자-포논 결합 매개변수는 0.685, 0.743 및 0.775로 결정되었으며 예상 \(T_c\)는 7.8K, 10.8K 및 13.0K입니다. 각기.

MAX 상은 화학식 M\(_{n+1}\)AX\(_n\)1(n = 1, 2, 3 등)을 갖는 육각형 탄화물 또는 질화물입니다. 여기서 M은 초기 전이 금속 A입니다. 주로 13-16족이고 X는 C 또는 N입니다. MAX 상은 높은 손상 허용성, 뛰어난 열충격 저항성, 부식 및 산화 저항성, 높은 크리프 수명, 예외적으로 손상에 대한 내성이 우수하고 가공성이 뛰어나며 전기 및 열 전도성이 있습니다2, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. 3원 M\(_2\)AX 계열 단계의 육각형 탄화물 및 질화물의 물리적 특성은 일반적으로 금속 및 세라믹과 관련된 특성의 특이한 조합으로 인해 광범위하게 연구되었습니다. 또한 지난 2년 동안 X 원소인 B를 포함한 일부 M\(_2\)AX 상 세라믹이 처음으로 합성되었습니다. 붕소와 그 화합물은 흥미로운 물리적, 화학적 특성으로 인해 중요한 기술적 용도를 가지고 있습니다17,18. 따라서 MAX 상 붕화물은 향상된 안정성으로 인해 특히 원자력 산업에서 유망한 연구 및 응용 후보가 될 것으로 예상됩니다. Hadiet al. Nb\(_2\)SX(X:B, C 및 N)에서 C와 N을 B로 대체하는 것이 구조적, 전자적, 기계적, 열적 및 광학적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 그들은 Nb\(_2\)SC 및 Nb\(_2\)SN과 비교하여 Nb\(_2\)SB가 기계적으로 더 강하고 공유 결합성이 높으며 전단 변형에 더 강하고 탄성 및 광학적으로 등방성이 더 크다는 것을 발견했습니다. 일부 M\(_2\)AX 상은 \(T_c\) = 10 K20인 Nb\(_2\)GeC에서 알려진 가장 높은 \(T_c\)를 갖는 초전도체입니다.

본 연구의 목적은 Ti 기반 M\(_2\)AX 계열 내에서 새로운 초전도 물질을 예측하고 최대 \(T_c\)를 증가시키는 것입니다. 또한 최근 합성된 붕화물 기반 M\(_2\)AX 단계의 초전도성에 대한 첫 번째 연구를 제시합니다. 이는 실험에 유용한 지침을 제공하기 위해 M\(_2\)AX 초전도체를 신속하게 스크리닝하는 높은 처리량 방법의 원리 증명입니다.

세 가지 재료(Ti\(_2\)GeC, Ti\(_2\)InC 및 Ti\(_2\)InN)를 초기에 연구하고 알려진 실험 \(T_c\) 데이터와 비교하여 처리량이 높은 스크리닝 모델을 만들었습니다. Nb-C 기반 M\(_2\)AX 단계에서 \(T_c\)를 예측하기 위해 개발한 Fröhlich 모델을 기반으로 하는 Ti 기반 재료. 그런 다음 이 모델을 사용하여 42개의 서로 다른 Ti\(_2\)AX 재료(A: Al, Si, P, S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl 및 Pb, X)를 스크리닝했습니다. : B, C 및 N). 각 X에 대해 A = Al이 가장 높은 예측 \(T_c\)을 제공하는 것으로 나타났습니다.

1963년 Jeitschko et al. 육각형 M\(_2\)AX 상 계열이 개발된 Ti\(_2\)AlN22의 제조 및 특성에 대해 보고했습니다. 지금까지 약 60개의 M\(_2\)AX 상이 합성되었지만 실험에서는 그 중 10개만이 초전도체인 것으로 나타났습니다: Mo\(_2\)GaC (4.0 K)23, Nb\(_2\) SC(5.0K)24, Nb\(_2\)AsC(2.0 K)25, Nb\(_2\)SnC(7.8 K)26, Ti\(_2\)InC(3.1 K)27, Nb\(_2 \)InC(7.5K)28, Ti\(_2\)InN(7.3K)29, Ti\(_2\)GeC(9.5K)30, Lu\(_2\)SnC(5.2K)31 및 Nb\ (_2\)GeC(10.0K)20. 이들 중에서 Nb\(_2\)GeC는 알려진 가장 높은 \(T_c\)=10K를 갖습니다. V\(_2\)AlN을 합성하려는 시도는 최근 관련 입방체 비MAX 상을 성장시키는 데 성공했습니다. \(T_c\) = 15.9 K32에서 초전도인 것으로 나타났습니다. M\(_2\)AX 상은 초전도체에서 흔히 볼 수 없는 높은 손상 내성, 우수한 열충격 저항성, 부식 및 산화에 대한 저항성, 높은 크리프 수명, 우수한 기계 가공성 등 매우 유용한 기계적 특성을 갖고 있습니다. 그래서 새로운 응용이 가능해졌습니다.